JP5598461B2 - 可変インダクタ及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

高周波回路に好適に使用される可変インダクタ及びこれを用いた半導体装置に関し、特に、インダクタと、この近傍に形成され、スイッチによって開放又は短絡される開放端をもつループ状導体とを有し、開放端の開放又は短絡によってインダクタンスが可変とされ安定なインダクタンスを生成することができる可変インダクタ及びこれを用いた半導体装置に関する。

近年、高性能化が進んでいる携帯電話に代表される小型携帯機器等の電子機器に必要とされる部品数は非常に増大し、電子機器の小型化の要求を満たすために、限定された小さな空間内に多数の部品を収納することが要求されている。電子機器には多種類の高周波回路が使用され、高周波回路は、半導体チップ、受動素子（インダクタ、キャパシタ、レジスタ）等の多数の部品で構成されている。電子機器の小型化のため、一般に、これらの部品のうち集積化できる部品は、基板やパッケージに搭載されモジュール化されて使用される。

複数の周波数帯に対応可能な無線通信装置に使用される高周波回路では、周波数帯に対応した複数系統の高周波回路を設けて、周波数帯毎に高周波回路を選択的に使用する方式がある。

電子機器の薄型化、小型化、低コスト化が強く要求されているが、この要求に答えるための実装技術として、複数の受動部品、半導体チップを１つのパッケージに搭載するＳｉＰ（System in Package）技術、ウエハレベルで全ての工程を完了させ、チップのパッド電極が再配線層の導体線路を介して外部接続端子に接続されたパッケージを製造するＷＬＰ（Wafer-level Process）技術がある。また、再配線層を利用して受動素子を形成する方法も知られている。

可変インダタンスに関する多数の報告がある。以下、代表的な報告の一例ついて説明する。

「電圧の制御発振器の周波数切替え装置」と題する後記の特許文献１には以下の記載がある。

特許文献１発明では、発振回路と、発振回路に接続されたインダクタと可変容量で構成された共振回路とを具備し、制御電圧端子に印加される電圧に応じた周波数の信号を発振する半導体集積回路で構成された電圧制御発振器のインダクタに、主インダクタと、主インダクタと磁気結合した副インダクタと、副インダクタの電気的接続状態を切り替える切替手段とを備える構成とした。

図７（ａ）は、特許文献１に記載の図４であり、第２の実施の形態における電圧制御発振回路のインダクタの配線構成を示す平面図である。

図７（ｂ）は、特許文献１に記載の図５であり、図７（ａ）に示すグランドシールド型インダクタのＡ−Ａ’断面を模式的に示した図である。

図７（ａ）において、グランドシールド１１７は、ポリシリコン等で構成されるグランドシールドである。接地スイッチ（ＳＷ５）１２３は、グランドシールド１１７を接地するスイッチである。第１主インダクタ（Ｌ１）１０５は、共振回路を構成する正方形のインダクタである。第１副インダクタ（Ｌ３）１０７は、第１主インダクタ（Ｌ１）１０５の外側に形成した正方形のインダクタであり、接続状態を変えてインダクタンスを変化させることにより、磁気結合されている第１主インダクタ（Ｌ１）１０５のインダクタンスを変化させるインダクタである。

第１主スイッチ（ＳＷ１）１０９は、第１副インダクタ（Ｌ３）１０７の接続状態を変えてインダクタンスを変化させるスイッチである。第１副スイッチ（ＳＷ３）１１１は、第１副インダクタ（Ｌ３）１０７を接地するスイッチである。

第１副インダクタ（Ｌ３）は、第１主スイッチ（ＳＷ１）で分離されており、第１主スイッチ（ＳＷ１）がオンの時にインダクタとなって動作する。第１主スイッチ（ＳＷ１）がオフの時、外周の配線は単なる浮遊容量として動作し、内周の配線の第１主インダクタ（Ｌ１）にはなんら影響を与えない。

第１主スイッチ（ＳＷ１）がオンの時、第１副スイッチ（ＳＷ３）は同時にオンにされ、第１副インダクタ（Ｌ３）は接地される。この動作により、第１主インダクタ（Ｌ１）と第１副インダクタ（Ｌ３）とは相互誘導により結合され、第１主インダクタ（Ｌ１）のインダクタンスが変化する。

図７（ｂ）において、シリコン酸化膜１４８は、絶縁層である。シリコンエピ層１４９は、エピタキシャル成長させた層である。シリコン基板１５０は、基礎となるシリコン基板である。第１主インダクタ（Ｌ１）１０５’と、第１副インダクタ（Ｌ３）１０７’は、第１主インダクタ（Ｌ１）１０５と、第１副インダクタ（Ｌ３）１０７と対応する上層の配線である。インダクタを２層とした例を示す図である。

図７（ａ）に示すように、インダクタの配線層の下部に、ポリシリコン等で構成されるグランドシールド１１７は、接地スイッチ（ＳＷ５）１２３で接地される。グランドシールド１１７を、インダクタンスを大きくする側に切り替えた場合のみ接地するようにすれば、インダクタンスを小さくした場合の浮遊容量を小さくして、共振周波数を高くすることができる。このように、インダクタ層の下部にグランドシールド層を設けると、インダクタはシリコン基板と電磁的に分離されるので、シリコン基板上のＰｓｕｂ基板の抵抗の影響を受けなくなる。従って、Ｐｓｕｂ基板の抵抗によるノイズの発生を低減することができる。

図７（ｂ）の断面図に示すように、多層配線を用いて、複数のインダクタとグランドシールド１１７を設けて多層構成にすることにより、小インダクタンスのイダクタを複数形成して、小面積でも総合したインダクタンスを大きくすることができる。

上記のように、電圧制御発振回路を、インダクタンス切り替え型インダクタの配線層の下にグランドシールドを設けた構成としたので、シリコン基板の抵抗によるノイズを減らすことができる。

２００２-１５１９５３号公報（段落０００９、段落００１４〜００１６、段落００２１〜００２２、段落００２６〜００３１、図４、図５）

近年、インダクタを必要とする回路、例えば、増幅器、発振器、ミキサー、フィルタ、スイッチ回路等を含む、電気回路、電子回路を使用する電子機器の規模が大きくなっている。例えば、無線通信用ＲＦＩＣにおいては多数のインダクタが用いられるが、複数の周波数帯域に対応するために、従来、周波数帯域毎にＲＦ回路が構成され用いられている。このため、周波数帯域に対応した複数系統の高周波回路の構成のために、多数のインダクタが必要となるので、小型化、低コスト化が困難となっている。特に、インダクタは他の素子、例えば、容量、抵抗、トランジスタ等に比べて素子サイズが大きいため、電子機器の小型化が難しくなってきている。

電子機器に使用される各種の高周波回路において、よく使用されるスパイラルコイル（インダクタ）等によって、大きなインダクタンスを実現しようとすると、大きな実装面積が必要となり、高周波回路の小型化の障害となっており、インダクタの小型化が望まれている。しかも、安定したインダクタンスの生成が要求されている。

可変インダクタを用いることができれば、異なる固定インダクタンスをもった複数のインダクタを１つの可変インダクタに置き換えることができるので、回路サイズの小型化が可能となり、低コストにつながるので、Ｓｉ，ＧａＡｓ等を基板として用いた半導体装置の製造に好適に使用でき、安定してインダクタンスを生成する高性能な可変インダクタが望まれている。上記のＲＦＩＣでは、可変インダクタの使用により、周波数帯域毎のＲＦ回路を１つの回路にすることが可能となり、電子機器の小型化、低コスト化につながる。

特許文献１では、図７（Ａ）に示すように、第１副インダクタ（Ｌ３）は第１副スイッチ（ＳＷ３）を介して接地されているが、第１副スイッチ（ＳＷ３）による寄生抵抗、寄生容量とその影響に関しては配慮がされておらず、第１副インダクタ（Ｌ３）を安定した電位に保持した状態で、第１主インダクタ（Ｌ１）のインダクタンスを変化させて、インダクタンスを安定した値として生成することに関しては、配慮がなされていなかった。

本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、インダクタと、この近傍に形成されスイッチによって開放又は短絡される開放端をもつループ状導体とを有し、開放端の開放又は短絡によってインダクタンスが可変とされ、安定なインダクタンスを生成することができる可変インダクタ及びこれを用いた半導体装置を提供することにある。

即ち、本発明は、半導体基板上に形成されたインダクタと、スイッチが接続された開放端を有し、前記インダクタの近傍に形成されたループ状導体とを有し、前記スイッチによる前記開放端の開放又は短絡によって、インダクタンスが可変とされる可変インダクタにおいて、前記ループ状導体が、前記インダクタに接続された信号回路の入力と共通の接地レベルに接続されると共に、前記半導体基板の接地レベルにも接続されていることを特徴とする、可変インダクタに係るものである。

また、本発明は、上記の可変インダクタを用いた半導体装置に係るものである。

本発明によれば、半導体基板上に形成されたインダクタの近傍に、スイッチが接続された開放端をもつループ状導体が設けられ、前記ループ状導体が、前記インダクタに接続された信号回路の入力と共通の接地レベルに接続されると共に、前記半導体基板の接地レベルにも接続され、前記ループ状導体、前記信号回路、前記半導体基板が同電位に置かれるので、前記スイッチによる前記開放端の開放又は短絡によって、インダクタンスが可変とされ、この際、基準電位の変動が生じないために、安定した値をもったインダクタンスを生成させることができる可変インダクタを提供することができる。この可変インダクタを用いることによって、実装部品の数を低減することができ、小型化、低コスト化を図ることができ、動作が安定な信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態における、可変インダクタを説明する、（Ａ）斜視図、（Ｂ）平面図、（Ｃ）Ｚ−Ｚ部の断面図である。 同上、可変インダクタの等価回路モデルを示す図である。 同上、可変インダクタの動作特性例を説明するための図であり、（Ａ）斜視図、（Ｂ）平面図、（Ｃ）インダクタンスの周波数依存性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における、可変インダクタの構成例を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態における、可変インダクタの構成例を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態における、可変インダクタの構成例を説明する平面図である。 従来技術における、可変インダクタを説明する図である。

本発明の可変インダクタでは、前記ループ状導体が、前記インダクタを取り囲むように設けられた構成とするのがよい。可変インダクタを大きな面積を必要とすることなく、小型に形成することができる。

また、前記ループ状導体は複数の巻数を有する構成とするのがよい。開放端が短絡された前記ループ状導体と前記インダクタとの間の大きな相互磁気誘導によって、インダクタンスの可変量を大きくでき、可変インダクタの可変幅を大きくすることができ、安定したインダクタンスを生成することができる。
また、前記ループ状導体として、内周側ループ状導体とこれを囲む外周側ループ状導体とが設けられている構成とするのがよい。内周側ループ状導体の開放端に接続されるスイッチのオン又はオフの状態と、外周側ループ状導体の開放端に接続されるスイッチのオン又はオフの状態とを組み合わせることによって、開放端が短絡された内周側ループ状導体と前記インダクタとの間の相互磁気誘導、及び、開放端が短絡された外周側ループ状導体と前記インダクタとの間の相互磁気誘導の発生を独立して制御することができるので、インダクタンスの可変量を複数のレベルに変化させることができ、可変インダクタの可変幅を大きくすることができ、安定した複数のレベルのインダクタンスを生成することができる。

また、前記インダクタ及び前記ループ状導体の組を複数有し、これらの組み合わせが選択される構成とするのがよい。各組における前記ループ状導体の開放端に接続されたスイッチのオン又はオフの制御によって、各組における前記インダクタは複数レベルのインダクタンスを生成することができ、（１）各組における前記インダクタを単独で使用する、（２）各組における前記インダクタを直列接続して使用する、（３）各組における前記インダクタを並列接続して使用する等の、態様で使用をすることができるので、インダクタンスの可変量を複数のレベルで変化させることができ、可変インダクタの可変幅を大きくすることができ、安定した複数のレベルのインダクタンスを生成することができる。

本発明の半導体装置では、前記半導体基板上に設けられた前記ループ状導体が、前記半導体基板上の絶縁層のスルーホールを介して前記半導体基板上の接地領域に接続されている構成とするのがよい。前記ループ状導体が、短い距離で前記半導体基板上の接地領域に接続される構成とするので、寄生容量や寄生抵抗の発生とその影響を抑制することができ、前記ループ状導体が、前記半導体基板の接地、及び、前記ループ状導体が接続される信号回路の接地と同電位におかれるので、安定したインダクタンスを生成することができる可変インダクタを用いた半導体装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明よる実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の各図面では、実施の形態に係る可変インダクタのみを示しており、可変インダクタが形成される同じ半導体基板には半導体装置を構成するアナログ回路やディジタル回路が形成されているが、各図ではこれらのアナログ回路やディジタル回路は省略している。また、以下の説明では、代表的な例として、インダクタをスパイラルインダクタによって構成する例をとって説明するが、インダクタは、ミアンダコイル、ソレノイドコイル等、任意のコイルによって構成することができる。

本発明による可変インダクタは、半導体基板上に形成されたインダクタの近傍の位置に、開放端をもつループ状導体が設けられており、このループ状導体の開放端に接続されているスイッチのオン（短絡）又はオフ（開放）によって、インダクタとループ状導体との間での相互磁気誘導の発生を制御する。ループ状導体の接地レベル、インダクタに接続された信号回路の接地レベル、及び、半導体基板の接地レベルが同じ電位（同電位）となるように、ループ状導体は、信号回路、半導体基板の各接地レベルに接続される。なお、上記の「近傍の位置」とは、相互磁気誘導が起こり得る位置を意味する。

この結果、インダクで発生する磁束によって、開放端が短絡され閉ループをなすループ状導体に発生する誘導電流が、安定した状態で流れることになり、ループ状導体の開放端のスイッチによる開放又は短絡によって、インダクタとループ状導体との間での相互磁気誘導の発生が制御され、インダクタンスが可変とされ、安定した値をもったインダクタンスが生成される。また、インダクタとループ状導体とを同じ面に形成し、インダクタを取り囲むようにループ状導体を設けることによって、可変インダクタを小面積で薄型に形成することができる。

この可変インダクタは、例えば、周波数帯毎の各系統の高周波回路でインダクタを共有する構成として、各系統に応じてインダクタンスが安定した値として生成される可変インダクタとして使用することができ、信頼性が向上し、高周波回路の小型化、低コスト化が可能となる。可変インダクタを用いることによって、実装部品の数を低減することができ、小型化、低コスト化を図ることができ、動作が安定な信頼性の高い半導体装置を製造することができる。

第１の実施の形態
本実施の形態では、スパイラルコイルによってインダクタコイルを構成し、開放端をもつループ状導体で取り囲むようにして、スパイラルコイルとループ状導体とが同一面をなすように配置される。

図１は、本発明の第１の実施の形態における可変インダクタの構成例を説明する図であり、図１（Ａ）は斜視図、図１（Ｂ）は平面図、図１（Ｃ）はＺ−Ｚ部の断面図である。

図１（Ａ）に示すように、正方形状のスパイラルコイル１０及びこれを取り囲み開放端をもつ、外形が正方形をなす巻き数１回の周囲配線（以下、ループ状導体という。）２０は、絶縁層２９を介してシリコン基板１８上に形成されている。

巻き数２回のスパイラルコイル１０の導体は、絶縁層３０ａ上に形成された第１層１１、絶縁層３０ｂ上に形成された第２層１２、及び、絶縁層３０ｂに形成され、第１層１１と第２層１２とを接続する層間導電層２５から構成される。開放端をもつループ状導体２０の導体は、絶縁層３０ａ上に形成された第１層２１、絶縁層３０ｂ上に形成された第２層２２、及び、絶縁層３０ｂに形成され、第１層２１と第２層２２とを接続する層間導体層２５から構成されている。スパイラルコイル１０の第２層１２、及び、ループ状導体２０の第２層２２は、絶縁層３０ｃで覆われている。第２層１２、第２層２２の各導体は同じ面に形成されており、ループ状導体２０の第２層２２は、スパイラルコイル１０の第２層１２を取り囲んでいる。ループ状導体２０とスパイラルコイル１０は、小面積で薄型に形成されている。

ループ状導体２０の開放端には、例えば、ＦＥＴで構成されたスイッチ１６が接続され、開放端の開放（オフ）又は短絡（オン）は制御回路１４によって制御されている。スパイラルコイル１０の端子Ｐ１、Ｐ２は、スパイラルコイル１０に接続される信号回路１３に接続されている。信号回路１３の回路入力端、回路出力端は、シリコン基板１８に形成された図示しないアナログ回路又はディジタル回路に接続されている。

ループ状導体２０は、インダクタが接続される信号回路１３の接地に接続されると共に、シリコン基板１８に形成されたエピタキシャル層に接続され、ループ状導体２０は、エピタキシャル層のＰ^-層２７の一部に形成されたＰ⁺層２６に導体層３２（スルーホール内）を介して電気的に接続されている。Ｐ⁺層２６はシリコン基板の基準電位とする接地レベルに電気的に接続されている。ループ状導体２０は、インダクタに接続される信号回路１３の接地レベル、及び、シリコン基板１８の接地レベルと同電位に保持され、接地されている。

ここで、ループ状導体２０の抵抗値、スイッチ１６のオン抵抗は十分に小さいものとする。スイッチ１６を制御回路１４によってオン又はオフする制御によって、スパイラルコイル１０の端子Ｐ１、Ｐ２間のインダクタンスを可変とすることができる。スイッチ１６がオンの場合は、ループ状導体２０は閉ループをなし、スパイラルコイル１０で発生する磁束が、閉ループをなすループ状導体２０を貫通することによって、閉ループをなすループ状導体２０に上記の磁束を打ち消す誘導電流が流れ、この結果、スパイラルコイル１０のインダクタンスは、スイッチ１６がオフの場合（ループ状導体２０が閉ループを形成しない場合である。）に比べて変化し低下する。

このインダクタンスの変化は、ループ状導体２０の電位の変化の影響を受ける。例えば、シリコン基板１８の基板抵抗が変化して、ループ状導体２０とシリコン基板１８との間、ループ状導体２０と信号回路１３との間に不安定な電位差を有する場合には、閉ループをなすループ状導体２０に電流が流れ、これによって磁束が発生し、この磁束によってスパイラルコイル１０に誘導電流が流れるので、インダクタンスの変化は不安定となる。従って、信号回路１３のために生成されるインダクタンスは不安定となってしまい、例えば、信号回路１３が共振回路である場合、共振周波数が変化し、不安定となってしまう。

本実施の形態では、上述のように、ループ状導体２０はスパイラルコイル１０を取り囲むように同じ面に形成され、大きな面積を必要とすることなく、可変インダクタのレイアウト面積を削減することができ、薄型で小型化された可変インダクタを可能とし、ループ状導体２０、信号回路１３、シリコン基板１８は同電位に保持されるので、ループ状導体２０は、インダクタンスを可変させると共に、安定したインダクタンスを生成させるための機能を有している。

図２は、図１に示す可変インダクタの等価回路モデルを示す図である。

ループ状導体２０、スパイラルコイル１０、信号回路１３は、シリコン基板１８に形成されている。スイッチ１６がオン及びオフの何れの時でも、ループ状導体２０は、スパイラルコイル（インダクタ）１０に接続された回路（インダクタが使用される回路）１３の接地に接続され、ループ状導体２０は信号回路１３の接地電位と同電位におかれる。また、ループ状導体２０は、図１（Ｃ）に示すＰ⁺層２６（シリコン基板１８のパッド）に接続されており、ループ状導体２０は、信号回路１３、シリコン基板１８の接地レベルと同電位におかれる。

従って、スパイラルコイル１０のインダクタンスＬspの他に存在する、スパイラルコイル１０の配線抵抗Ｒsp及び寄生容量Ｃsp、シリコン基板１８の基板抵抗Ｒsi及び寄生容量Ｃsi、絶縁層による寄生容量Ｃiの変化に影響されることなく、ループ状導体２０には安定して電流が流れ、インダクタンスは安定した値が保持されることになる。

図１に示す構成をとらず、ループ状導体２０を、シリコン基板１８及び信号回路１３の電位と同電位におく構成をとらない場合には、シリコン基板１８の基板抵抗Ｒsiの変動によって、ループ状導体２０とシリコン基板１８との間、ループ状導体２０と信号回路１３との間に電位差を生じてしまい、ループ状導体２０を流れる電流が変動して、インダクタンスが変動してしまう。

図３は、本発明の実施の形態における可変インダクタの動作特性例を説明するための図であり、図３（Ａ）は、シミュレーションに用いた可変インダクタの斜視図、図３（Ｂ）は平面図、図３（Ｃ）は、インダクタンスの周波数依存性の計算結果を示す図である。

図３では、図１に示す正方形状のスパイラルコイル１０に代えて、端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３をもつ円形状のスパイラルコイル１０が形成されている。スパイラルコイルの第２層１２とループ状導電体２０の第２層２２とは同じ面に形成されており、ループ状導電体２０の第２層２２はスパイラルコイルの第２層１２を取り囲んでいる。ループ状導電体２０とスパイラルコイル１０は小面積で薄型に形成されている。Ｐ１を電流入力端子とし、Ｐ２を電流出力端子とする場合、スパイラルコイル１０の第１層１１、スパイラルコイル１０の第２層１２、これらを接続する層間導体層２５によって構成されるスパイラルコイル１０は、巻き数２回のインダクタを形成することができる。

Ｐ１を電流入力端子とし、Ｐ３を電流出力端子とする場合、及び、Ｐ３を電流入力端子とし、Ｐ２を電流出力端子とする場合、スパイラルコイル１０は巻き数１回のインダクタを形成することができる。

なお、信号回路１３に接続される端子は、３つの端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３から選択された２つの端子である。

図３（Ｃ）は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す可変インダクタのインダクタンスの可変特性の一例を示し、端子Ｐ１、Ｐ２間のインダクタンスの周波数依存性を示している。図３（Ｂ）に示すように、可変インダクタの各部の寸法は次の通りである。スパイラルコイル１０の第２層１２の配線幅Ｗ＝１０μｍ、第２層１２の配線間隔Ｓ＝４μｍ、巻き数２回、スパイラルコイル１０の内径ＩＤ＝１４０μｍである。このスパイラルコイル１０からＧ＝５０μｍだけ離れた外周位置に、配線幅ＷＧ＝１０μｍのループ状導体２０の第２層２２が形成されている。スパイラルコイル１０、ループ状導体２０の厚さは１μｍであり、全厚９μｍのＳｉＯ₂又はＳｉ₃Ｎ₄からなる絶縁層の内部に形成されている。また、スパイラルコイル１０、ループ状導体２０の形成には、アルミニウム配線、銅配線等の基板配線材料が使用される。

ループ状導体２０の開放端にスイッチ（ＦＥＴ）１６が接続されている、ＦＥＴのＧａｔｅ端子を制御することによって、インダクタンスが可変とされ、図３（Ｃ）に示すように、スイッチ１６がオフ時には、インダクタンスが１．０７ｎＨとなり、スイッチ１６がオン時には、１．０ｎＨ〜０．７５ｎＨとなり、１０ＧＨｚで最大約３０％低下した値を与えている。

なお、図３（Ｃ）に示すインダクタンスは、有限要素法による３次元電磁界シミュレータ（アンソフト社のＱ３Ｄ Ｖｅｒ６）を用いて行った解析結果である。

第２の実施の形態
本実施の形態は、第１の実施の形態において、複数回の周回する導体をもったスパイラルコイルによってループ状導体を構成した例（第１の構成例）、巻き数１回の導体の複数によってループ状導体を構成した例（第２の構成例）を含んでいる。

図４は、本発明の第２の実施の形態における可変インダクタの構成例を説明する図であり、図４（Ａ）は第１の構成例を示す平面図、図４（Ｂ）は第２の構成例を示す平面図である。

図４（Ａ）に示す第１の構成と図１に示す構成例との相違点は、ループ状導体２０を、巻き数２回の導体とした点にあり、その他の構成は同じである。本実施の形態によれば、開放端が短絡され導体線路長が大きなループ状導体２０とスパイラルコイル１０との間の大きな相互磁気誘導によって、インダクタンスの可変量が大きくなり、可変インダクタの可変幅を大きくすることができ、安定したインダクタンスを生成することができる。なお、ループ状導体２０を、巻き数２回以上の導体としてもよいことはいうまでもない。

図４（Ｂ）に示す第２の構成と図１に示す構成例との相違点は、ループ状導体２０を、第１層２１ａと第２層２２ａから構成され、開放端にスイッチ１６ａが接続された第１のループ状導体、及び、第１層２１ｂと第２層２２ｂから構成され開放端にスイッチ１６ｂが接続された第２のループ状導体の２重のループによって構成した点にあり、その他の構成は同じである。第１のループ状導体の第２層２２ａ、第２のループ状導体の第２層２２ｂ、スパイラルコイル１０の第２層１２は同じ面に形成され、第１のループ状導体の第２層２２ａはスパイラルコイル１０の第２層１２を取り囲み、第２のループ状導体の第２層２２ｂは第１のループ状導体の第２層２２ａを取り囲んでおり、スパイラルコイル１０、第１及び第２のループ状導体は、小面積で薄型に形成されている。第１及び第２のループ状導体は、信号回路１３、シリコン基板１８と同電位に保持されることはいうまでもない。スイッチ１６ａ、１６ｂは、制御回路１４によってそれぞれ独立してオン又はオフの状態の制御がされる。

開放端が短絡した状態での第１及び第２のループ状導体の自己インダクタンス、及び、第１及び／又は第２のループ状導体とスパイラルコイル１０との間の相互磁気誘導によって、インダクタンス可変量が変化するので、制御回路１４によってスイッチ１６ａ、１６ｂのオン又はオフの状態を独立して制御することによって、端子Ｐ１−Ｐ２間のインダクタンスの可変量を４レベルで変化させ、インダクタンスを安定した値に保持されるようにしている。また、ループ状導体２０を２重以上のループによって構成することもでき、端子Ｐ１−Ｐ２間のインダクタンスの可変量を４以上のレベルで変化させ、インダクタンスを複数の安定した各値に保持されるようにすることができる。

以上説明したように、本実施の形態の可変インダクタでは、ループ状導体２０として、内周側ループ状導体とこれを囲む外周側ループ状導体とを設け、内側ループ状導体及び／又は外側ループ状導体の開放端に接続されるスイッチのオン又はオフの状態を独立に制御して、内周側ループ状導体の開放端に接続されるスイッチのオン又はオフの状態と、外周側ループ状導体の開放端に接続されるスイッチのオン又はオフの状態とを組み合わせることによって、開放端が短絡された内周側ループ状導体とスパイラルコイル１０との間の相互磁気誘導の発生と、開放端が短絡された外周側ループ状導体とスパイラルコイル１０との間の相互磁気誘導の発生とを独立して制御して、端子Ｐ１−Ｐ２間のインダクタンスの可変量を複数のレベルで変化させることができ、安定した複数のレベルのインダクタンスを生成することができ、可変幅が大きな可変インダクタを実現している。

第３の実施の形態
本実施の形態では、第１の実施の形態において、スパイラルコイル１０とループ状導体２０の組（セット）を複数設け、これらの組の組み合わせを選択してインダクタンスを生成する、可変インダクタとしている。

図５は、本発明の第３の実施の形態における構成例を説明する図であり、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は可変インダクタの真理値表とインダクタを示す図である。

図５（Ａ）に示す構成例では、図１に示す構成例のスパイラルコイル１０とループ状導体２０とのセットが、第１及び第２のセットとして設けられている。これら２つのセットは、２つのスパイラルコイル１０間で相互磁気誘導が発生し得る位置に設けられている。第１のセットのループ状導体２０にはスイッチ（ＳＷ１）１６ｃが接続され、第２のセットのループ状導体２０にはスイッチ（ＳＷ２）１６ｄが接続されており、スイッチ１６ｃ、１６ｄは、共通の制御回路１４によって独立してオン又はオフの状態が制御されている。第１及び第２のセットのループ状導体２０、スパイラルコイル１０は同じ面に形成されている。

スイッチ（ＳＷ１）１６ｃ又はスイッチ（ＳＷ２）１６ｄの一方がオン（ＯＮ）の場合、ＯＮ側のスパイラルコイル１０の周囲にはループ状導体２０によって低抵抗の閉ループが形成されるので、２つのスパイラルコイル１０間で相互磁気誘導を生じるが、磁気的な結合は小さい。スイッチ（ＳＷ１）１６ｃ、スイッチ（ＳＷ２）１６ｄの両方をオン（ＯＮ）とする場合には、２つのスパイラルコイル１０間の磁気的な結合は、更に小さい。スイッチ（ＳＷ１）１６ｃ、スイッチ（ＳＷ２）１６ｄの両方をオフ（ＯＦＦ）とすることによって、２つのスパイラルコイル１０間での相互磁気誘導を大きくして磁気的結合を大きくすることができる。

図５（Ｂ）に示すように、スイッチ（ＳＷ１）１６ｃ、スイッチ（ＳＷ２）１６ｄのオン又はオフの状態によって、端子Ｐ１−Ｐ２間のインダクタンスＬ１２、端子Ｐ３−Ｐ４間のインダクタンスＬ３４はそれぞれ、３値をとる。なお、Ｍは２つのスパイラルコイル１０間の相互インダクタンスであり、例えば０．１ｎＨである。

図５（Ａ）に示す可変インダクタは、図１に示すように、信号回路１３に接続されるが、この接続は、（１）端子Ｐ１、Ｐ２を信号回路１３に接続する、（２）端子Ｐ３、Ｐ４を信号回路１３に接続する、（３）端子Ｐ１、Ｐ３を第１の共通端子とし端子Ｐ２、Ｐ４を第２の共通端子として、第１及び第２の共通端子を信号回路１３に接続する、（４）端子Ｐ２、Ｐ３を接続して、端子Ｐ１、Ｐ４を信号回路１３に接続する等の接続態様によって行われる。この結果、９通りのインダクタンスの各値を信号回路１３に生成することができる。

なお、上記した第１及び第２のセットに限定されず、各スパイラルコイル１０の間で相互磁気誘導が発生し得るように、３以上のセットを設ける構成とすることもできる。

以上説明したように、本実施の形態の可変インダクタでは、各セットにおけるループ状導体２０の開放端に接続されたスイッチのオン又はオフの状態の制御によって、各セットにおけるスパイラルコイル１０は複数レベルのインダクタンスを生成させることができ、（１）各セットにおけるスパイラルコイル１０を単独で使用する、（２）各セットにおけるスパイラルコイル１０を直列接続して使用する、（３）各セットにおけるスパイラルコイル１０を並列接続して使用する等の態様で使用することができるので、インダクタンスの可変量を複数のレベルで変化させることができ、可変幅が大きく、安定した複数のレベルのインダクタンスを生成させることができる。

第４の実施の形態
本実施の形態は、第１の実施の形態において、ループ状導体２０によって取り囲まれたインダクタコイル１０を、巻き数１回のスパイラルコイルによって構成した例（第１の構成例）、この第１の構成例を変形して、巻き数１回のスパイラルコイルがループ状導体２０を取り囲むようにした構成例（第２の構成例）を含んでいる。

図６は、本発明の第４の実施の形態における、可変インダクタの構成例を説明する図であり、図６（Ａ）は第１の構成例を示す平面図、図６（Ｂ）は第２の構成例を示す平面図である。なお、図６に示す例では、第１及び第２の構成例による可変インダクタの面積を略同じとして図示している。

図６（Ａ）に示す第１の構成例では、図１に示す構成例において、スパイラルコイル１０の巻き数を１回とし、ループ状導体２０を巻き数１回のスパイラルコイルによって形成し、ループ状導体２０の内側にスパイラルコイル１０を配置している。

図６（Ｂ）に示す第２の構成例では、図６（Ａ）に示す第１の構成例の配置とは逆の配置として、巻き数１回のスパイラルコイル１０の内側に、巻き数１回のスパイラルコイルによって形成されたループ状導体２０を配置している。同じ面積に可変インダクタを形成する場合、第２の構成例による可変インダクタの方が、第１の構成例よりもインダクタンスを大きくすることができる。図６（Ｂ）に示すスパイラルコイル１０のインダクタンスが、図６（Ａ）に示すスパイラルコイル１０のインダクタンスと同じにすれば、第１の構成例の場合よりも、可変インダクタを小さな面積で形成することができる。

以上説明した各実施の形態で例示した、ループ状導体、スパイラルコイルは、正方形状であるが、これに限定されず、長方形状、円形状、多角形状とすることもでき、また、ループ状導体を構成するコイルの巻き数、インダクタを構成するコイル（例えば、スパイラルコイル等）の巻き数も任意とすることができることはいうまでもない。

以上の説明した可変インダクタは、ウエハレベルプロセス（ＷＬＰ）を適用することによって製造することができる。

以上、本発明を実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

以上説明したように、本発明は、電気機器の小型化、低コスト化に好適であり、安定なインダクタンスを生成することができる可変インダクタであって、安定性、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

１０…スパイラルコイル、１１…スパイラルコイルの第１層、１２…スパイラルコイルの第２層、１３…インダクタに接続される信号回路、１４…制御回路、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…スイッチ、１８…シリコン基板、２０…周囲配線、２１、２１ａ、２１ｂ…周囲配線の第１層、２２、２２ａ、２２ｂ…周囲配線の第２層、２５…層間導体層、２６…Ｐ⁺層、２７…Ｐ^-層、２９、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…絶縁層、３２…導体層

Claims (9)

1. それぞれ、半導体基板上に形成されたインダクタと、スイッチが接続された開放端を有し、前記インダクタの近傍に形成されたループ状導体とを有する第１のセットおよび第２のセットを有し、
   前記第１のセットの前記スイッチおよび前記第２のセットの前記スイッチによる前記開放端の開放又は短絡によって、それぞれインダクタンスが可変とされ、
   前記第１のセットの前記ループ状導体が、前記第１のセットの前記インダクタに接続される信号回路の入力と共通の接地レベルに接続されると共に前記半導体基板の接地レベルにも接続されており、
   前記第２のセットの前記ループ状導体が、前記第２のセットの前記インダクタに接続される信号回路の入力と共通の接地レベルに接続されると共に前記半導体基板の接地レベルにも接続されており、
   前記第１のセットの前記ループ状導体と前記第２のセットの前記ループ状導体との間に相互磁気誘導が発生し得る位置に、前記第１のセットと前記第２のセットとが設けられており、
   前記第１のセット及び前記第２のセットの組み合わせの選択に基づいて、前記第１インダクタが単独で選択され前記信号回路に接続される構成、前記第２インダクタが単独で選択され前記信号回路に接続される構成、前記第１インダクタと第２インダクタとが選択され並列接続された状態で前記信号回路に接続される構成、及び、前記第１インダクタと前記第２インダクタとが選択され直列接続された状態で前記信号回路に接続される構成のいずれかの選択を可変可能に行うことができる、
   可変インダクタ。
2. 前記第１のセットの前記スイッチと前記第２のセットの前記スイッチとを独立して制御可能な制御装置をさらに有する請求項１に記載の可変インダクタ。
3. 前記ループ状導体が、前記インダクタを取り囲むように設けられた請求項２に記載の可変インダクタ。
4. 前記ループ状導体は複数の巻数を有する請求項３に記載の可変インダクタ。
5. 前記第１のセットの前記インダクタおよび前記ループ状導体と、前記第２のセットの前記インダクタおよび前記ループ状導体とが同じ面に形成されている請求項４に記載の可変インダクタ。
6. 前記ループ状導体として、内周側ループ状導体とこれを囲む外周側ループ状導体とが設けられている請求項５に記載の可変インダクタ。
7. 少なくとも１つの可変インダクタを有し、
   上記可変インダクタが、
   それぞれ、半導体基板上に形成されたインダクタと、スイッチが接続された開放端を有し、前記インダクタの近傍に形成されたループ状導体とを有する第１のセットおよび第２のセットを有し、
   前記第１のセットの前記スイッチおよび前記第２のセットの前記スイッチによる前記開放端の開放又は短絡によって、それぞれインダクタンスが可変とされ、
   前記第１のセットの前記ループ状導体が、前記第１のセットの前記インダクタに接続される信号回路の入力と共通の接地レベルに接続されると共に前記半導体基板の接地レベルにも接続されており、
   前記第２のセットの前記ループ状導体が、前記第２のセットの前記インダクタに接続される信号回路の入力と共通の接地レベルに接続されると共に前記半導体基板の接地レベルにも接続されており、
   前記第１のセットの前記ループ状導体と前記第２のセットの前記ループ状導体との間に相互磁気誘導が発生し得る位置に、前記第１のセットと前記第２のセットとが設けられており、
   前記第１のセット及び前記第２のセットの組み合わせの選択に基づいて、前記第１インダクタが単独で選択され前記信号回路に接続される構成、前記第２インダクタが単独で選択され前記信号回路に接続される構成、前記第１インダクタと第２インダクタとが選択され並列接続された状態で前記信号回路に接続される構成、及び、前記第１インダクタと前記第２インダクタとが選択され直列接続された状態で前記信号回路に接続される構成のいずれかの選択を可変可能に行うことができる可変インダクタ、
   である半導体装置。
8. 前記第１のセットの前記スイッチと前記第２のセットの前記スイッチとを独立して制御可能な制御装置をさらに有する請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記半導体基板上に設けられた前記ループ状導体が、前記半導体基板上の絶縁層のスルーホールを介して前記半導体基板上の接地領域に接続されている請求項８に記載の半導体装置。

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